扶貧地區(qū)光伏消納能力分析及措施綜述

王晟嫣，周鵬程，陳威成

（1.華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206；2.南方電網(wǎng)物資有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

光伏扶貧作為國務(wù)院扶貧辦確定實施的 “十大精準扶貧工程”之一，是實施精準扶貧、精準脫貧的重要舉措，是推進產(chǎn)業(yè)扶貧的有效措施［1］。光伏扶貧為貧困地區(qū)脫貧攻堅培育了新產(chǎn)業(yè)，為壯大貧困村集體經(jīng)濟開辟了新路徑，為解決貧困群眾穩(wěn)定脫貧提供了新手段。從光伏產(chǎn)業(yè)角度看，也實現(xiàn)了拉動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、光伏應(yīng)用與農(nóng)村資源的有效利用。

2018 年以來，國家能源局、國務(wù)院扶貧辦等相關(guān)部門相繼出臺了《光伏扶貧電站管理辦法》《村級光伏扶貧電站收益分配管理辦法》 等光伏扶貧配套政策文件，在政策補貼、電費結(jié)算、電網(wǎng)消納、運行維護和收益分配等方面加強指導和規(guī)范管理［2］。2019 年6 月，在全國光伏扶貧信息監(jiān)測數(shù)據(jù)接入試點工作會議上，統(tǒng)計了系統(tǒng)接入納入國家財政補貼目錄的村級扶貧電站有28 584 座，裝機規(guī)模共計415.9 萬kW。

為探索扶貧電站收益分配長效機制，確保光伏扶貧電站長期持續(xù)發(fā)揮效益，需要深入研究扶貧地區(qū)提升光伏消納能力的相關(guān)問題。國內(nèi)研究機構(gòu)及學者對此已開展大量理論研究，基于此，對光伏扶貧地區(qū)的負荷特性和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，光伏出力特性，光伏消納能力的制約因素和邊界條件進行歸納總結(jié)，同時，綜述提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的技術(shù)措施和政策措施，為貧困地區(qū)開展光伏扶貧相關(guān)工作提供參考。

1 光伏扶貧地區(qū)的負荷特性和農(nóng)網(wǎng)情況

1.1 扶貧地區(qū)負荷特性情況

隨著全國城鎮(zhèn)化的推進和國家精準扶貧工程的開展，廣大貧困縣或農(nóng)村地區(qū)的年用電量逐年上升，電力負荷變化趨勢相對穩(wěn)定。

貧困地區(qū)一般為縣鎮(zhèn)級，電力負荷主要集中在工業(yè)生產(chǎn)用電（多為小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)）、居民生活用電、公共建筑用電（包括學校、醫(yī)院等）和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電（包括灌溉、耕作、農(nóng)產(chǎn)品加工等）。扶貧地區(qū)的月度電力負荷差異主要受鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性用電影響，居民生活用電和公共建筑用電波動性較?。蝗针娏ω摵汕€主要由工業(yè)生產(chǎn)用電（如圖1（a））、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電（如圖1（d））和公共建筑用電（如圖1（c））支撐日間負荷高峰，居民生活用電（如圖1（b））支撐夜間負荷高峰［3］。

圖1 扶貧地區(qū)典型用戶日負荷曲線

1.2 扶貧地區(qū)農(nóng)網(wǎng)發(fā)展情況

扶貧地區(qū)多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村，縣級以下的電力供應(yīng)和消費以及相應(yīng)的管理體制統(tǒng)稱為農(nóng)電。在我國，農(nóng)電配電網(wǎng)仍然是以無源放射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，供電能力差、損耗大，用電秩序混亂，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價高。目前，農(nóng)電工作重點主要為提高農(nóng)村電氣化水平，服務(wù)新農(nóng)村建設(shè)［4］。

目前，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營范圍內(nèi)，鄉(xiāng)、村、戶通電率分別為98.83%、99.20%、99.69%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測算，到2020 年農(nóng)網(wǎng)全社會用電量將達到3.99 萬億kWh，最大用電負荷將達到6.93 億kW，“十三五”期間年均增速分別為7.76%、8.58%；農(nóng)村居民生活用電量將達到6184 億kWh，較2015 年增長56%，年均增長7.7%［5］。

2 分布式光伏的出力特性和不確定性模擬

2.1 分布式光伏的出力特性模型

分布式光伏是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。光伏電池的出力主要光照強度、電池材料、光伏板表面溫度等條件決定［6］。根據(jù)分布式光伏的運行情況和輸出特性，其發(fā)電輸出功率可表示為

式中：γpv為分布式光伏的功率因數(shù)；為電池板陣列系統(tǒng)容量；GT為T 時段實際工況下的光照強度；為T 時段理想環(huán)境下的光熱強度；ε 為分布式光伏功率的溫度系數(shù)；Tcell為實際工況下的太陽板的表面溫度；理想環(huán)境下的太陽板的表面溫度。

2.2 分布式光伏的出力不確定性模擬

隨著光伏扶貧工程的深入推進，貧困地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)將接入大規(guī)模的分布式光伏。由于貧困地區(qū)多在我國的中西部，四季氣溫和晝夜溫差較大，使得分布式光伏出力存在較強的隨機性和波動性，而貝塔分布能很好描述光照強度的波動性，并模擬分布式光伏接入后的各種可能性［7］。其概率密度函數(shù)f（s）可表示為：

式中：s 為實際的光照強度；smax為最大光照強度；α 和β 為貝塔分布的2 個參數(shù)，可通過T 時段內(nèi)的光照強度的期望μ（如式（3）所示）和方差σ2（如式（4）所示）來計算。

3 扶貧地區(qū)光伏消納能力的制約因素和邊界條件

3.1 光伏消納能力評價指標

分布式光伏并網(wǎng)接入后，實際發(fā)電量與理想發(fā)電量之間總有一定的差異；此外，在相同的光照下，不同并網(wǎng)點的發(fā)電效率也存在差別，導致發(fā)電效率或發(fā)電小時數(shù)存在差異的原因是棄光率［8-10］。棄光率是指分布式光伏實際發(fā)電與理論發(fā)電利用小時數(shù)的差值，和理論發(fā)電利用小時數(shù)的比率，棄光率是衡量分布式光伏運行狀態(tài)的重要指標，如式（5）所示。

為實現(xiàn)分布式光伏的經(jīng)濟效益，提高發(fā)電效率是降低棄光率的重要手段。但由于不同地區(qū)的光照情況、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備質(zhì)量、運行維護水平等不同，棄光率的實際數(shù)據(jù)也有較大差別［11］。

3.2 光伏消納能力約束因素

1）電網(wǎng)末端電壓約束。

對于扶貧地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)來說，其供電半徑長，末端電壓偏差超標問題較為突出［12］。當大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入時，隨著光伏出力功率的增大，流向用戶側(cè)的功率先降至0，之后又向電網(wǎng)反送，導致電壓偏差持續(xù)增大。

2）變電設(shè)備容量約束。

若使并網(wǎng)接入的分布式光伏完全消納，實現(xiàn)無棄光現(xiàn)象，則需要讓光伏出力不受其功率限制。當分布式光伏的接入容量超過電力負荷時，可能會出現(xiàn)剩余功率［13］。剩余功率將從變壓器的低壓側(cè)沿母線流向高壓側(cè)，因此變電設(shè)備容量是約束光伏出力功率的關(guān)鍵因素之一。

3）線路載流量約束。

扶貧地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)線路的導線截面普遍偏小，載流量較?。?4］。當分布式光伏并網(wǎng)接入后，若出力超過電力負荷，線路的載流量將可能接近極限容量，導致線路發(fā)熱嚴重、電流過載、弧垂增大，最終可能造成線路故障頻發(fā)。

4）電網(wǎng)短路電流約束。

光伏發(fā)電作為分布式電源的主要形式，大規(guī)模的并網(wǎng)接入對配電網(wǎng)短路電流分布產(chǎn)生影響，導致線路流向故障點的短路電流增加。因此電網(wǎng)短路電流也是約束光伏出力功率的重要因素。

3.3 光伏消納能力邊界條件

大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)接入將改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動的狀況，增加配電網(wǎng)調(diào)度與運行管理的復雜性。因此，需要確保分布式光伏并網(wǎng)接入規(guī)模在合理范圍，減小電壓偏移的范圍和保證電能質(zhì)量合格，并滿足配電設(shè)備正常運行的各項額 定 值［15］。

由于供需雙側(cè)不確定性影響分布式光伏的接入功率，而接入后的最大功率又受設(shè)備容量、末端電壓偏差、線路容量等約束影響［16-17］。因此，為提升扶貧地區(qū)光伏消納能力，須明確光伏消納的邊界條件。光伏消納能力的邊界條件可表示為

式中：Ppower-put為分布式光伏接入電網(wǎng)的功率；PGi為第i 臺分布式光伏的發(fā)電功率；I 為分布式光伏的總臺數(shù)；為電網(wǎng)接入的第j 個負荷功率；J 為電力負荷的總數(shù)；Δu 為各電壓等級的電壓偏差；ρt為配電變壓器負載率；ρ1為線路負載率。

4 提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的有效措施

4.1 提升光伏消納能力的技術(shù)措施

1）外送消納通道的建設(shè)。

扶貧地區(qū)一般為單一饋線，外送通道不足，可再生能源消納能力有限，容易造成棄風棄光現(xiàn)象，因此要加強外送通道的建設(shè)，提高分布式電源的外送能力。

2）多方式并網(wǎng)接入配電網(wǎng)。

通常在饋線的末端安裝分布式電源對電壓的抬升作用更為明顯，但集中安裝在饋線末端時又容易引起電壓越限，很大程度上限制了分布式光伏消納。因此應(yīng)結(jié)合扶貧地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)發(fā)展等趨勢，盡量考慮在靠近變電站處安裝分布式電源，以多點方式并網(wǎng)接入［18］。

3）變電站及線路改造。

扶貧地區(qū)電網(wǎng)架構(gòu)薄弱，變電站和線路規(guī)格較小，容易造成線路過載、短路電流過大等問題，無法滿足大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)接入，需要對原有的配電線路及變電站進行改造升級。

4）調(diào)整光伏逆變器功率因數(shù)。

光伏電源逆變器（Power Inverter，PI）通常以單位功率因數(shù)運行，若通過一定的技術(shù)手段改造使其運行在滯后功率因數(shù)，并適當吸收感性無功來降低農(nóng)村電網(wǎng)整體電壓水平，將有利于提升光伏消納能力［19］。

5）安裝無功補償裝置。

靜態(tài)無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC）通過向配網(wǎng)提供無功補償支撐，有效抑制諧波，消除三相不平衡，改善農(nóng)電配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升對高比例分布式光伏并網(wǎng)接入的消納能力［20］。

4.2 提升光伏消納能力的政策措施

由于扶貧地區(qū)的總體負荷水平較低，在分布式光伏出力高峰時段的負荷可能很小，導致光伏功率滲透率較高，限制了光伏消納能力。提升光伏消納能力的政策措施包括電價機制、發(fā)電補貼、金融貸款、稅收減免等。其中，分時電價是一種需求響應(yīng)機制，也是常用的提高光伏消納能力的政策機制。

分時電價是通過不同時段的電價來引導用戶的用電行為，調(diào)整用電時間，盡量降低高峰時段分布式光伏的功率滲透率，有效提升光伏消納能力。

1）分時電價模型。

為減少棄光率，通過分時電價機制來提高光伏電源利用率，實現(xiàn)需求響應(yīng)［21］。傳統(tǒng)的需求價格彈性可表示為

式中：E 為需求價格彈性；Q 為用電需求；p 為電力價格。

假設(shè)將t1—t2時段內(nèi)的分時電價記為p（t），初始電價記為p（0），實施分時電價機制后的電力負荷記為f（t），初始負荷記為f（0）。當電價變動引起需求側(cè)響應(yīng)后，分時電價下的電力負荷模型可表示為

2）分布式光伏消納率。

式中：Δf（t）為增量；Ppv（t）為光伏出力標幺值。

6 結(jié)語

隨著光伏扶貧工程的持續(xù)推進，大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入農(nóng)電網(wǎng)，將面臨就地消納或外送的問題。為降低棄光率，提升光伏消納能力，針對如何提升扶貧地區(qū)光伏消納能力相關(guān)問題展開了綜述研究。梳理光伏扶貧地區(qū)的負荷特點和電網(wǎng)發(fā)展情況，歸納總結(jié)扶貧地區(qū)光伏消納能力的評價指標、制約因素和邊界條件；并在前人研究的基礎(chǔ)上，綜述了提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的技術(shù)措施和政策措施，為貧困地區(qū)開展光伏扶貧相關(guān)工作提供參考與借鑒。但隨著大規(guī)模光伏的并網(wǎng)接入，這些消納措施實施起來需要多重并舉、因地制宜。